Рекомендации по проектированию защиты цепей, управления и датчиков для приложений безопасности умного дома

В этой статье исследуются компоненты, которые защищают свои цепи и управляют ими в приложениях безопасности умного дома, в частности компоненты для защиты проводных и беспроводных камер видеонаблюдения и проводных камер дверного звонка.

Достижения в области технологий Интернета вещей позволяют разрабатывать системы безопасности умного дома, которые предлагают потребителям безопасность, удобство и энергоэффективность. Новые сенсорные технологии и беспроводные протоколы, такие как беспроводная локальная сеть (Wi-Fi), позволили создать широкий спектр устройств, которые могут контролировать и контролировать оборудование безопасности, оборудование для контроля доступа, бытовую технику, оборудование для управления энергопотреблением, розетки, освещение и развлекательные системы. На рис. 1 показан весь спектр технологий Интернета вещей, обеспечивающих умный дом.

Рисунок 1. Преимущества технологии умного дома включают управление развлечениями, бытовой техникой, доступом, питанием и энергопотреблением, а также безопасность.

Рынок безопасности умного дома - это динамичный рынок. Ожидается, что единичные поставки камер видеонаблюдения для жилых помещений вырастут с 54 миллионов единиц в 2018 году до 120 миллионов единиц в 2023 году. Это представляет собой существенный среднегодовой темп роста (CAGR) в 17%. На этом рынке есть большие возможности для инноваций и новых продуктов.

Надежность равняется безопасности

Продукты безопасности для умного дома должны быть очень надежными, чтобы завоевать долю рынка. По мере того как на рынок выходит все больше поставщиков и сужается дифференциация продукции, качество продукции становится все более решающим фактором для потребителей. Таким образом, изделия должны быть устойчивы к перегрузкам и переходным процессам. Следующие параграфы дадут разработчикам домашних систем безопасности рекомендации по использованию и выбору компонентов, которые защищают и контролируют свои цепи. Будут представлены компоненты для защиты следующих продуктов:

• Проводные и беспроводные камеры видеонаблюдения.
• Проводные камеры для дверных звонков
  

Проводные камеры видеонаблюдения

Проводные системы видеонаблюдения обычно представляют собой стационарные системы безопасности для наблюдения за территориями, прилегающими к жилому дому. На рис. 2 показана проводная камера безопасности и рекомендуемые компоненты для защиты камеры и управления ею. Эти камеры питаются от сети переменного тока и подвержены перегрузкам и переходным процессам, распространяющимся по линии переменного тока. Кроме того, все соединения с внешней средой подвержены электростатическому разряду (ESD).

Разработчикам необходимо защитить схемы своей камеры от повреждений из-за этих опасных условий. На рисунке 3 показана блок-схема проводной камеры видеонаблюдения и рекомендуемые компоненты защиты и управления для обеспечения надежности продукта.

Рисунок 2. Пример проводной камеры видеонаблюдения и рекомендуемые компоненты защиты и управления

Рисунок 3. Блок-схема проводной камеры видеонаблюдения, показывающая схемы и рекомендуемые для них компоненты защиты и управления.

Адаптер питания

Адаптер питания взаимодействует с линией питания переменного тока и нуждается в защите от скачков тока в линии питания и переходных процессов напряжения. Мы предлагаем предохранители для защиты от перегрузки, металлооксидный варистор (MOV) для защиты от скачков тока при переходных процессах и диод-ограничитель переходного напряжения (TVS) для защиты от переходных процессов напряжения. Эти три компонента с параметрами, выбранными в соответствии с особенностями вашей конструкции, гарантируют, что адаптер питания устойчив к перегрузкам и переходным процессам.

Выберите плавкий предохранитель с задержкой срабатывания, чтобы избежать ложного срабатывания предохранителя из-за включения пускового тока источника питания. Однако, чтобы избежать повреждения схемы адаптера питания, выберите предохранитель, который будет быстро реагировать на продолжительную перегрузку, например, в течение нескольких секунд до 200% перегрузки. При выборе предохранителя не упускайте из виду и другие ключевые параметры. Убедитесь, что номинальное напряжение предохранителя превышает максимальное линейное напряжение, которое может воспринимать блок питания. Кроме того, убедитесь, что номинальное значение прерывания выше, чем максимальная токовая перегрузка, с которой цепь может столкнуться.

Соответствующий номинальный ток отключения позволит избежать физического повреждения предохранителя из-за большой переходной перегрузки от линии переменного тока. Поскольку в блоке питания не хватает места, ищите небольшие предохранители, соответствующие требованиям. Наконец, используйте предохранитель с сертификатом UL / IEC, чтобы упростить и ускорить аттестацию продукта на соответствие требованиям безопасности.

Например, от сильных скачков энергии, вызванных молнией, защитите источник питания с помощью металлооксидного варистора (MOV), расположенного как можно ближе к входу источника питания. MOV могут поглощать импульсные токи величиной до 10 кА и могут поглощать более 500 Дж пиковой энергии импульса. Поскольку MOV контактирует с линией питания, используйте компонент, сертифицированный UL / IEC.

Третий элемент защиты, который вы хотите рассмотреть, - это диод-ограничитель переходного напряжения (TVS) для защиты последующих цепей от переходных процессов напряжения. TVS-диоды очень быстро реагируют на переходные процессы, менее чем за 1 пс. При подавлении переходного процесса диод TVS ограничивает свой выход при низком напряжении для защиты чувствительной схемы. TVS-диоды доступны в однонаправленной или двунаправленной версии и имеют широкий диапазон ограничивающих напряжений, которые могут достигать 10 В.

Входной каскад постоянного тока

Входной каскад постоянного тока подает напряжение постоянного тока для питания платы управления, привода двигателя и интерфейса датчика изображения. Мы рекомендуем для этой схемы как защиту от перегрузки по току, так и защиту от переходных напряжений. Возможны либо обычный предохранитель, либо самовосстанавливающийся предохранитель с полимерным положительным температурным коэффициентом (PPTC). Доступны версии для поверхностного монтажа обоих этих типов предохранителей, поэтому они занимают минимум места на печатной плате. TVS-диоды также доступны в компактных корпусах для поверхностного монтажа и могут выдерживать переходные процессы с пиковой импульсной мощностью до 5000 Вт.

Панель управления

Плата управления содержит интеллект для схемы камеры. Плата управления включает в себя MCU, хранилище видеопамяти и схему проводного интерфейса, которая передает информацию по линии питания переменного тока с использованием протокола PoE. Две схемы платы управления должны иметь компоненты защиты. Эти две схемы - проводной интерфейс и схема памяти.

Проводной интерфейс соединяется с внешней средой и должен иметь защиту от перегрузки по току и переходного напряжения. Как и для входного каскада постоянного тока, для защиты от перегрузки по току выберите либо обычный предохранитель, либо самовосстанавливающийся предохранитель. Для защиты от скачков напряжения мы рекомендуем специальный компонент - диодную матрицу TVS. Диодная матрица TVS защищает линии ввода-вывода PoE от электростатического разряда и других переходных процессов высокого напряжения.

На рисунке 4 показана матрица двунаправленных диодов в сочетании с стабилитроном, чтобы выдерживать воздействие электростатического разряда ± 30 кВ. Эти диоды имеют низкую емкость 1 пФ / порт, что сводит к минимуму их влияние на передачу и прием сигналов протокола POE. Конфигурации диодных массивов, такие как показанные на рисунке 4, доступны в корпусах для поверхностного монтажа, которые занимают наименьшее количество места на печатной плате.

Рисунок 4. Диодная матрица TVS, предназначенная для защиты нескольких портов ввода-вывода от электростатического разряда

На SD-карте хранятся данные, полученные камерой. Мы рекомендуем TVS-диод для защиты этой важной цепи от электростатического разряда до ± 30 кВ. TVS-диоды имеют низкие токи утечки (менее 1 мкА) для снижения энергопотребления.

Моторный привод

Блок моторного привода имеет цепь мотора панорамирования и наклона, которая позиционирует камеру для отслеживания движения. Для этой схемы мы рекомендуем управляющий компонент - твердотельный переключатель с оптической развязкой. Оптическая изоляция предотвращает возврат шума двигателя и переходных процессов в цепь управления панорамированием и наклоном. Твердотельное переключение обеспечивает переключение без дребезга для более плавного управления двигателем. Ищите твердотельные переключатели с переключением при переходе через ноль, чтобы минимизировать переходные процессы при запуске двигателя. Кроме того, ищите переключатели с ограничением тока для защиты от остановки двигателя.

Беспроводные камеры наблюдения

Для наблюдения за внутренним пространством беспроводные камеры видеонаблюдения имеют небольшие размеры и могут быть легко размещены в любом месте. См. Рисунок 5 для примера беспроводной камеры. На рисунке 6 показана блок-схема беспроводной камеры и рекомендуемые компоненты защиты и управления для этого устройства.

Рисунок 5. Пример беспроводной камеры видеонаблюдения с рекомендованными компонентами защиты

Рисунок 6. Блок-схема беспроводной камеры видеонаблюдения и рекомендуемые компоненты защиты и обнаружения

Адаптер

Адаптер USB - это источник питания для беспроводной камеры слежения. Поскольку он подключается к сети переменного тока, USB-адаптер должен быть защищен от перегрузок по току и скачков напряжения. Подобно адаптеру питания, который питает проводную камеру видеонаблюдения, USB-адаптер должен иметь предохранитель для защиты от перегрузки по току, MOV для защиты от ударов молнии и TVS-диод для защиты от электростатического разряда.

Если в конструкции будет использоваться протокол USB Type-C, то для разъемов USB Type-C с высокой плотностью требуется термодатчик для обнаружения короткого замыкания между контактами разъема. Термочувствительный элемент, совместимый с конструкциями USB Type-C, предотвращает повреждение кабелей и разъемов, если пыль или грязь закорачивают соседние контакты разъема. См. Стандарт USB Type-C. ² Чувствительный элемент сбрасывается с низким сопротивлением, когда устраняется проблема, вызвавшая повышение температуры.

Аккумулятор

Аккумуляторный блок следует контролировать на предмет перегрузки по току, если элемент аккумулятора выходит из строя из-за короткого замыкания и перегревается. Кроме того, блок управления аккумулятором и USB могут подвергаться электростатическому разряду. Мы рекомендуем самовосстанавливающийся предохранитель, предохранитель PPTC для поверхностного монтажа, для защиты от перегрузки по току из-за выхода из строя элемента батареи. Предохранитель PPTC сработает менее чем за одну секунду при перегрузке 200%, чтобы одна закороченная батарея не повредила несколько батарей.

Блок управления батареей и цепь USB должны иметь защиту от электростатического разряда. Мы рекомендуем многослойные металлооксидные варисторы с низким ограничивающим напряжением для защиты полупроводниковых компонентов. Когда экономия места на печатной плате является важным фактором, могут быть развернуты версии многослойных MOV для экономии места, 0402 корпусов для поверхностного монтажа.

Если схема USB соответствует протоколу USB Type-C, то следует использовать термочувствительный элемент, идентичный тому, который рекомендуется для USB-адаптера, для защиты сопрягаемого USB-разъема в USB-цепи. Более подробная информация о создании термочувствительного индикатора в цепи USB Type-C содержится в нашем руководстве по проектированию и установке. ³

Панель управления

Плата управления содержит цифровую электронику, которая управляет камерой и сохраняет видеоданные. Плата управления нуждается в защите от переходных процессов и электростатического разряда. Для этой схемы мы рекомендуем стабилитрон TVS, который выдерживает удар до ± 30 кВ. TVS-диод с током утечки менее 0,5 мкА потребляет минимум энергии из цепи. Диод также занимает мало места на печатной плате и может быть размещен в корпусах 0201 для поверхностного монтажа.

Беспроводной интерфейс

Беспроводной интерфейс обменивается данными с внешними беспроводными устройствами, такими как компьютеры, смартфоны и мобильные планшетные компьютеры. Поскольку эта цепь подвергается воздействию внутренней среды, она подвержена электростатическому разряду. В этом случае рассмотрите полимерный подавитель электростатических разрядов. Полимерный подавитель электростатического разряда защитит цепь от ударов электростатического разряда до ± 15 кВ по воздуху и ± 8 кВ от контакта с человеком. Кроме того, его низкая емкость менее 0,2 пФ не ухудшает передачу или прием сигнала.

Камеры дверного звонка

Проводная камера дверного звонка стала очень популярным продуктом для удаленного просмотра посетителей. На рис. 7 показан пример камеры дверного звонка, а на рис. 8 - блок-схема с рекомендованными компонентами защиты и управления.

Рисунок 7. Пример проводной камеры дверного звонка и рекомендуемые решения для защиты и управления

Рисунок 8. Блок-схема проводной камеры дверного звонка с рекомендованными элементами защиты и управления

Блок питания

Блок питания взаимодействует с пониженным напряжением переменного тока от линии питания переменного тока и может подвергаться токовым перегрузкам и переходным процессам напряжения, таким как переходные процессы, вызванные молнией. Как и в случае с другими цепями питания, предохранитель защищает от условий перегрузки по току. Для защиты от скачков напряжения в сети переменного тока выберите TVS-диод, который может поглощать переходные процессы мощностью до 4 кВт. Рассмотрите возможность использования оптически изолированного твердотельного реле для управления питанием других цепей и предотвращения распространения шумов и переходных процессов от линии электропередачи на цепи ниже по потоку.

Аккумулятор

Аккумулятор обеспечивает резервное питание платы управления и пользовательского интерфейса. Батарейный блок и его вспомогательные блоки, блок управления батареями и цепь USB нуждаются в защите от условий перегрузки по току и переходных процессов с использованием аналогичных компонентов, рекомендованных для идентичной цепи в беспроводной камере. Добавление TVS-диода обеспечит подавление переходных процессов напряжения и электростатических разрядов. Как и в случае с аккумулятором в беспроводной камере, мы рекомендуем использовать термодатчик для USB-цепи, если протокол USB Type-C является конструктивным требованием.

Пользовательский интерфейс

Пользовательский интерфейс подвержен электростатическому разряду от контакта с человеком. Используйте TVS-диод для защиты пользовательского интерфейса от электростатического разряда. Если камера дверного звонка будет продаваться в Европе, вам нужно будет включить переключатель между активацией дверного звонка и камерой, чтобы соответствовать европейским нормам конфиденциальности. Рассмотрите возможность использования твердотельного реле для устранения дребезга контактов механического реле и возникновения электромагнитных помех (EMI).

Плата управления и беспроводной интерфейс

Плата управления и схемы беспроводного интерфейса работают для камеры дверного звонка так же, как и для беспроводной камеры. Компоненты защиты, рекомендуемые для этих цепей в беспроводной камере, применимы к тем же цепям в камере дверного звонка.

Пандемия COVID-19 влияет на дизайн камер видеонаблюдения

Некоторые производители камер видеонаблюдения адаптируются к «новым нормам» жизни, возникшим в результате пандемии COVID-19. Они добавляют к камерам инфракрасную технологию теплового зондирования, чтобы можно было дискретно контролировать температуру посетителей дома или офиса. Измерение температуры может стать стандартной функцией в будущих системах безопасности умного дома. Поскольку камеры видеонаблюдения становятся все более сложными и включают этот аспект безопасности для здоровья, включение надлежащей защиты цепей помогает разрабатывать более надежные и прочные устройства.

Рисунок 9. Камеры видеонаблюдения добавляют тепловизионное сканирование для отслеживания температуры тела после COVID-19

Применимые стандарты для домашних камер безопасности

Два стандарта безопасности, показанные в Таблице 1, определяют требования к оборудованию аудио / видеосвязи и к таким батареям, как литиевые батареи. IEC 62368-1 рассматривает требования безопасности к оборудованию для наблюдения; и второй стандарт, IEC 62311-2, диктует требования по обеспечению безопасности литиевых элементов и батарей. Неправильная сборка и эксплуатация литиевых батарей может привести к возгоранию; таким образом, мониторинг этих типов батарей имеет важное значение. Несоблюдение этих стандартов приведет к перепроектированию и повторному представлению на сертификацию в орган по стандартизации. Стоимость проекта увеличится, а внедрение продукта может быть отложено.

Таблица 1. Стандарты безопасности для продуктов с камерами наблюдения

Ценность в защите

Включив компоненты защиты и датчиков в качестве цели проектирования и соблюдая стандарты на ранних этапах проекта, вы можете с минимальными затратами разработать прочную и надежную систему безопасности для умного дома. Конечно, ваш дизайн - это всегда компромисс между производительностью и общей стоимостью владения. Хотя некоторые технологии могут стоить больше, чем другие, дополнительные факторы могут показать, что самая низкая совокупная стоимость владения требует более дорогостоящих компонентов. Воспользуйтесь инженерным опытом производителя компонентов при выборе компонентов защиты, управления и датчиков. Использование надежного поставщика экономит ваше время и ресурсы.

Надежность и эффективность повышают репутацию вашей системы безопасности умного дома. Репутация производителя высокого качества может привести к увеличению доли рынка и росту доходов. Это ведет к повышению прибыльности.

Дополнительную информацию о защите цепей, чувствительных устройствах и критериях выбора компонентов см. В Руководстве по выбору защиты цепи и Руководстве по выбору датчиков, предоставленных Littelfuse.

Ссылки

1. Рынок видеонаблюдения по системам. Рынки и рынки. Апрель 2020 г.
2. Технические характеристики кабеля и разъема универсальной последовательной шины типа C. Редакция 2.0. Август 2019 г. Форум разработчиков USB (USB-IF), Inc.
3. Цифровые индикаторы температуры для кабелей USB Type-C. Руководство по проектированию и установке. Руководство по применению Littelfuse. Апрель 2019 г.

Отраслевые статьи - это форма контента, позволяющая отраслевым партнерам делиться полезными новостями, сообщениями и технологиями с читателями All About Circuits, что не подходит для редакционного контента. Все отраслевые статьи подлежат строгим редакционным правилам с целью предлагать читателям полезные новости, технические знания или истории. Точки зрения и мнения, выраженные в отраслевых статьях, принадлежат партнеру, а не обязательно All About Circuits или ее авторам.